Special 우주항공 등 극한환경 대응 고내열 코팅 및 복합재 기술개발 동향(2)

극한환경 대응 3차원 CMC 복합재료 개발 동향

유웅열_서울대학교 재료공학부 교수

양지훈_서울대학교 재료공학부 박사과정

오윤민_서울대학교 재료공학부 박사과장

1.    서론

1-1.    극한환경 개념 및 대응 재료의 필요성 

현대 항공우주 및 에너지 산업의 발전과 함께, 구조체가 직면하는 운용 환경은 점점 더 극한화 되고 있다. 이러한 극한환경은 초고온(>2000 °C), 고압, 급격한 열충격, 강한 기계적 진동, 그리고 부식성 분위기 등 일반 재료가 구조적 안정성과 기능을 유지하기 어려운 조건을 의미하며 특히 터빈 블레이드, 연소관, 열차폐 시스템 등의 구성 요소는 적용 조건에 따라 최대 2,200 °C를 초과하는 온도에 노출되기도 한다.[1,2] 이러한 환경에서 안정적인 운용을 위해 재료는 우수한 열-기계적 및 열-화학적 안정성을 갖추어야 하며, 이와 같은 고온 환경에서 사용되는 항공우주용 소재는 시스템의 신뢰성, 효율성, 안전성 확보가 필수적이다. 이를 위해서 높은 열적 안정성, 열피로 저항성, 그리고 열에 의한 최소한의 팽창 특성을 동시에 충족해야 한다. 그렇지 않을 경우, 재료의 파손은 엔진 고장이나 항공기 구조 손상과 같은 치명적인 결과로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 위험을 방지하기 위해 우수한 산화 저항성, 열충격 저항성, 내삭마성, 그리고 치수 안정성을 확보해야 한다. 더 나아가 최근에는 열 분산 효율을 향상시켜 구조물의 온도 구배를 완화하고, 경량화를 통해 연료 효율성과 항공 작전 반경을 개선하는 방향으로 소재 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 고밀도의 단일 재료(세라믹, 금속)보다는 섬유 기반의 복합재료가 주로 활용되고 있으며, 이는 우수한 기계적 강도와 열적 안정성을 동시에 제공한다.[2]

복합재료는 섬유의 꼬임과 배열을 제어하여 단일 재료에 비해 높은 비강도 및 열적 안정성을 지니며, 대표적인 예로 탄소-탄소 복합재(Carbon–Carbon Composites, CCCs), 세라믹 기지 복합재(Ceramic Matrix Composites, CMCs), 그리고 금속 기지 복합재(Metal Matrix Composites, MMCs) 등이 있다.[3] 이들 복합재료는 모두 극한 환경에서 활용되는 핵심 소재로, 각기 다른 특성과 장점을 가진다. CCCs는 탄소 섬유와 탄소 기지로 이루어져 3,000℃ 이상의 고온에서도 안정성을 유지하며 낮은 열팽창, 높은 강도 대비 중량비, 열충격 저항성을 제공하여 로켓 노즐, 항공기 브레이크 디스크 등에 활용된다. CMCs는 세라믹 혹은 탄소 섬유와 세라믹기지를 결합해 1,200℃ 이상의 고온에서도 기계적 특성과 구조적 안정성을 유지하며, 낮은 밀도, 우수한 산화 저항성, 열충격 저항성을 지녀 터빈 엔진 부품과 우주선 열차폐재 등에 적합하다. MMCs는 금속 기지에 세라믹이나 탄소 섬유를 보강해 높은 강도와 인성, 우수한 열전도도, 마모 저항성, 맞춤형 열팽창 특성을 제공하며, 엔진 부품과 항공우주 구조체에 활용된다.[4] 이들 중 특히 CMCs는 높은 내산화성 및 열충격 저항성으로 인해 항공우주 분야에서 널리 활용되고 있다. 아래의 표(표1)에 각 복합재의 특징들을 비교 분석하였다. 

표 1. 극한환경 대응 복합재료 분류 및 특성[4]

1-2. 3차원 CMC의 중요성

섬유 강화 세라믹 매트릭스 복합재 (Ceramic Matrix Composites, CMCs)는 단일 세라믹 재료의 근본적인 한계인 높은 취성과 낮은 파괴 인성을 극복한 차세대 내열 구조재이다. 세라믹 단일재료에 비해 밀도가 낮고, 인성이 우수하며, 비강도가 높다는 장점을 지니기 때문에 항공우주, 가스터빈, 고성능 내화물 등 극한 환경에서의 고온·고하중 부품에 폭넓게 적용되고 있다.

기존 연구의 상당수는 단섬유 또는 whisker 보강형 복합재에 초점이 맞춰져 있었으며, 이후 단방향 (1D) 섬유, 2D 직조 섬유, 혹은 적층형 2.5D 구조가 보강재로 도입되었다. 이러한 구조들은 세라믹 복합재의 강도 향상에는 효과적이지만, 여전히 낮은 파괴 인성, 충격 저항성 부족, 이방적 거동 등 한계를 지닌다. 특히 단방향 혹은 2D 적층 구조에서는 층간 박리 (delamination)와 균열 집중 (crack localization)이 발생하기 쉽다. 이러한 이유로 복합재의 성능을 극대화하기 위해서는 다방향 하중을 지지할 수 있는 3차원 (3D) 섬유 구조의 개발이 필수적이다.[5]

3D 직조 기반의 CMC는 섬유가 세 방향으로 연속적으로 배열되어 있어 하중 전달 경로가 다중화되고, 균열 전파를 억제하는 분산 경로가 형성된다. 이로써 파괴 인성과 충격 저항성이 크게 향상되며, 구조적 안정성이 증가한다. 또한 3D 구조에서는 섬유-매트릭스 계면에서의 분리(debonding), 마찰 슬라이딩(frictional sliding), 섬유 풀아웃(fiber pull-out) 등의 미세 메커니즘을 통해 균열 성장 시 에너지가 효과적으로 소산된다. 이는 그림1에서 보이듯 세라믹 복합재의 파괴 인성 향상 원리를 잘 설명해준다.6

그림 1. 섬유강화 복합재료에서 균열 전파를 막는 메커니즘[6]

현재 상용화된 CMC 보강 섬유는 크게 두 가지 계열로 나뉜다. 비산화물계의 SiC 섬유(SiCf)와 유기계 탄소섬유(Cf)이다. 이들 섬유를 기반으로 한 복합재는 높은 온도에서도 우수한 기계적 특성과 내열성, 내식성을 확보할 수 있다. 예를 들어 그림2에서 확인 가능하듯이 Cf/C 복합재는 탄소섬유 보강을 통해 기존 흑연 재료보다 높은 강도와 인성을 확보하며, 우수한 열충격 저항성을 나타낸다.[7] 또한 윤활성과 마모 저항성이 뛰어나 항공기 브레이크 디스크 소재로 널리 활용된다. 그러나 800 °C 이상의 고온에서는 산소와 반응하여 CO₂로 산화되는 치명적 단점을 지닌다.[8]

그림 2. 다양한 금속 및 CMC의 온도 별 비강도[7]

이를 개선하기 위해 매트릭스로 SiC를 적용한 Cf/SiC 복합재가 개발되었으며, 이는 2,000 °C 이상에서도 안정적으로 사용할 수 있는 대표적인 고온 구조재이다. 내산화성이 우수해 1,000 °C 부근에서도 수 시간에서 수백 시간 동안 성능을 유지할 수 있으며, 고온 내구성 측면에서 Cf/C 복합재보다 훨씬 뛰어나다. 특히 SiCf/SiC 복합재는 항공우주 분야에서 가장 주목받는 3D CMC 시스템이다. 고강도 SiC 섬유로 강화된 SiCf/SiC 복합재는 초내열합금(superalloy)에 비해 더 높은 온도에서도 사용할 수 있고, 냉각 요구량이 감소하여 시스템 효율이 향상된다. 이는 곧 엔진 경량화, 연비 개선, 고온부 성능 향상으로 이어진다. 최근 연구에서는 SiCf/SiC 복합재가 1,316 °C 수준의 온도 성능을 달성하여 기존 초내열합금 대비 약 200 °C 이상의 온도 한계를 극복하였으며, 외부 보호 코팅을 적용할 경우 더 높은 온도에서도 사용이 가능함이 보고되었다.

결국, 극한환경용 구조재의 차세대 대안으로서 3차원 CMCs는 고온 강도, 내산화성, 파괴 인성, 열충격 저항성, 복잡 형상 구현성 측면에서 기존 2D 혹은 단일 세라믹 재료보다 월등히 우수하다. 이러한 이유로 3D CMC는 향후 재진입체 열차폐 구조, 가스터빈 블레이드, 초고온 추진계 부품 등 극한환경 구조재 분야의 핵심소재로 자리매김할 것이다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 11월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>